使用密集、灵活的互连器件设计紧凑、高性能的病人监护设备
作者：Jeff Shepard
随着许多慢性病和身体状况监护需求的增加，病人监护设备的使用正在迅速扩大，因为它们对加速愈合、避免并发症和保持最佳健康状态至关重要。典型的病人监护设备互连系统会在设备内部以及在设备之间传输数据（有时包括高分辨率图像）、电源和控制信号。这些系统的设计者必须应对众多而且往往是相互冲突的挑战，包括更小的外形尺寸、更多的功能集合以及要求高信号完整性 (SI) 和流畅数据传输的更快数据速率。
同时，这些设备必须让病人感到舒适，尽管监护仪固有的复杂性及其功能的关键性，但要对医护人员和病人都易于使用（在适当的时候）。使用设计笨重、不合适或不良的连接器或互连器件会破坏这些目标并增加不必要的成本。
为了满足这些应用的要求，市场为设计者提供了许多日益完善的连接器和互连器件选择。例如，根据具体应用的需求，设计者可以选择用于低成本自动装配的扁平柔性 (FPC) 高密度连接器，在线对板解决方案不切实际的情况下，选择中心间距小的柔性印刷电缆 (FPC)，或选择提供紧凑、易用、高速连接的 USB Type-C® 连接器。
本文简要回顾了病人监护设备的互连需求，探讨了设备内部以及设备与外部世界之间的连接。然后将介绍 Molex 的 FFC、FPC 和 USB Type-C 连接器实例，探讨其主要特性和优点以及如何正确应用。
板对板互连需求
FFC 与 FPC 的结合可以支持设计者对病人监护设备的高密度和高速板对板互连系统的需求。其中一些连接器可用于手动和机器人装配操作，并具有采用自动锁定机制的单步配接功能（图 1）。
图 1：FFC 和 FPC 连接器可用于手动和机器人装配操作，并具有采用自动锁定机制的单步配接功能。（图片来源：Digi-Key Electronics）
FFC 板对板连接器可用于支持最高 40 千兆赫 (GHz) 的数据速率，并可在多个低矮的方向上（包括直角和垂直方向）提供多达 80 个连接，带来了灵活的设计选择。连接间距可以小于一毫米 (mm)，以支持窄封装设计。提供零插入力 (ZIF) 和非 ZIF 设计，以满足特定应用的需要。
有些 FFC 的指定温度高达 150 摄氏度 (℃)，能够用于各种布线选择，包括通用 FFC 电缆、锁定 FFC 电缆或定制 FFC 电缆。这些连接器通常可以接受标准或屏蔽式 FFC，而且接地终端支持高速协议的需要，如低压差分信号 (LVDS)。为了获得最大的性能，屏蔽电缆应与具有接地端子的连接器一起使用。
将病人监护仪连接到外部世界
病人监护对于护理人员来说可谓是至关重要，因为帮助他们了解人体对减轻或修复疾病或其他身体疾病影响的疗法的反应。这往往需要将监测到的数据送到监护设备之外的设备上。
USB Type-C 连接器可以成为将病人监护设备连接到外部设备（如 HDMI 显示器和数据存储系统）的最佳选择。这些连接器具有对称和可反向的引脚布局，具有易用性和灵活性，因为它们可以以任何方向连接（图 2）。
图 2：USB Type-C 连接器具有对称和可反向的引脚布局，具有易用性和灵活性。（图片来源：Digi-Key Electronics）
实现最新的 USB4 协议必须使用 USB Type-C 连接器。USB4 基于 Thunderbolt 3 接口，允许 DisplayPort 和 PCI Express (PCIe) 数据进行隧道传输，并支持每秒 20 吉比特 (Gbits/s) 的标称数据速率，并可扩展到 40 Gbits/s。USB4 具有多个终端设备类型动态共享单一高速链接的能力，可以按类型和应用优化数据传输。因此，与 USB 3.2 相比，当采用隧道技术时，发送混合数据时的标称 20 Gbit/s 数据速率可以带来更高的有效吞吐量。
USB 供电 (PD) 协议提供高达 20 伏、5 安培 (A) 和 100 瓦的充电和其他用途，包括扩大数据传输能力。与微型 USB 2.0 的 1.8 A 充电能力相比，USB Type-C PD 可将电池充电时间减少 40% 至 64%。USB PD 智能和灵活的系统级电源管理功能支持双向供电，可以实时切换方向，使 Type-C 支持其他标准成为可能，如 DisplayPort、HDMI 或 PCIe。
快速角色交换 (FRS) 是最新版 USB Type-C PD 规范中的一项改进。设计者可以使用 FRS 来降低数据丢失的风险，并在电源线从集线器或底座上意外移除的情况下，保持像病人监护设备这样的 USB 外设的信号完整性。FRS 在 150 微秒 (μs) 内实现，使电池成为源极，其他设备成为漏极，并保持不间断运行。数据通信在单一方向上不间断地继续进行，即使电源方向逆转，也能保持系统运行并防止出现故障。
USB4 下 USB PD 性能的另一个增强是可编程电源 (PPS) 能力。PPS 实现了电压和电流的小步调节能力。如果一个电源插座连接到一个具有 PPS 功能的电源上，它可以要求改变该电源输送的功率。PPS 可以实现锂离子电池的快速充电，提高整个系统的功率效率，从而减少热负荷，并支持更高的系统封装密度。
用于医疗监护设备的板对板连接器
如上所述，FFC 与 FPC 的结合满足了病人监护设备设计者对高密度和高速板对板互连系统的需求，同时支持手动或机器人组装。Molex 的 Easy-On FFC/FPC 连接器系列中的型号 0541324062 就是一个很好的实例。该连接器有 40 个针位，触头表面镀金，间距为 0.50 毫米 (mm)（图 3）。
图 3：Molex 0541324062 型号 Easy-On FFC/FPC 连接器具有 40 个针位，触头表面镀金，间距为 0.50 毫米 (mm)。（图片来源：Molex）
0541324062 型号支持最高 10 Gbits/s 的数据速率。通过主动惯性锁定实现完全电缆插入和安全配接。20 牛顿 (N) 的电缆固位力确保了抗冲击和抗振动。坚固的焊片给印刷电路板带来了固位和应力消除能力。
Molex 的 Premo-Flex 0151660431 型号 FFC 跳线间距为 0.50 mm，长度为 102.00 mm（图 4），与 541324062 型号 Easy-On FFC/FPC 连接器一起使用时，可与该连接器的 40 个针位紧密配接。这种板对板的互连系统可以帮助设计者解决空间受限或难以伸手操作的应用中的挑战。
图 4：Molex 的 0151660431 0.50 mm 间距 Premo-Flex FFC 跳线有 40 个针位，长度为 102.00 mm。（图片来源：Molex）
Molex 提供各种电缆长度、电路尺寸、间距和厚度的 Premo-Flex 跳线。这些耐用、超柔软的电缆额定温度为 105°C，弯曲寿命为 900,000 次，而标准跳线为 6,000 次。
请注意，当从 Easy-On FFC/FPC 连接器上连接或断开 FFC 跳线时，必须确保所有的连接都断电，以避免产生火花而损坏触头。另外，在打开或关闭锁紧器时，应在锁紧器的两边同时用力。只对一侧用力可能导致连接器损坏。最后，当把柔性电缆插入连接器时，电缆上不应该有任何拉扯力或张力。否则，锁紧器可能无法正常锁定，电缆可能被损坏，或切断线路。
高速外部连接
诸如 1054500101 这样的 Molex USB Type-C 系列连接器可以支持无故障病人监护数据传输和高信号完整性，同时可向设备提供电源（图 5）。Molex 在其 USB Type-C 连接器中使用了三种嵌件成型工艺，将配接舌片制成单一部件，并最大限度地减少了进水。通过额外的三种嵌件成型工艺，将端子拉出或弯曲的风险降至最低，从而实现更高的机械耐久性和电气可靠性。这些连接器提供了一个耐用的解决方案，额定插拨次达到 10,000 次，可承受不当插入尝试和其他滥用。
图 5：像 1054500101 这样的 USB Type-C 连接器可以支持无故障数据传输，并为医疗监护设备提供电源。（图片来源：Molex）
这些高性能的连接器具有以下特性：
· 高达 40 Gbit/s 的数据速率，支持高速网络应用
· 支持 4K分辨率高质量显示器
· 提供 EMI/RFI 保护的屏蔽
· 通过在壳体和外壳之间使用胶布插头，防止在配接过程中出现电短路。
· 稳定的电气性能，支持更高的电流容量和最小的温度上升
增加了 USB Type-C 连接器的功率容量，实现了较小的引脚间距，这意味着设计者需要注意热失控时的潜在安全和火灾危险。正常情况下，USB PD 电源规则确保了安全运行。然而，连接器或电缆的损坏会导致出现非安全操作。过流和超温保护装置通常包括在 USB Type-C 连接器和电缆的设计中，以减少热失控的可能性。
USB Type-C 电缆中的超高速传输差分对具有 90 欧姆 (Ω) 的差分阻抗。使用备用模式的设计也必须能够处理 90 Ω。
结语
随着人们对病人监护需求的增加，这类系统的设计者需要连接器和相关互连电缆与跳线能够可靠地将多种类型的高速数据以及电源和控制信号传送到病人身上或从病人身上传送出来。这些连接通常必须在狭小的空间条件下以最小的成本完成，同时还要确保使用方便，并将对病人的舒适度影响降至最小。
如上所述，FFC、FPC 和 USB Type-C 连接器的出现，以高效装配能力、高信号完整性和更大的使用便利性解决了这些挑战。只要恰当地组合使用这些连接器和互连器件，设计者就可以解决病人监护从电气性能到护理质量的固有复杂性。
